JP5618472B2 - 燃焼器ライナのシンブル挿入体及び関連する方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービン燃焼法に関し、より具体的には、例えば燃焼ライナなどの燃焼器構成要素の内側縁部の周りで該ライナ内に形成した空気混合孔の前方及び後方縁部に設置された衝突冷却式金属シールドに関する。

ガスタービン燃焼システムでは、燃焼室ケーシングは、一般的に閉鎖端部と対向する開口端部とを備えた管状又は環状構成となったライナを含む。燃料は通常、閉鎖端部において又は該閉鎖端部の近くにおいて１以上の燃料ノズルを介してライナ内に導入され、一方、燃焼空気は、ライナに沿って軸方向に間隔を置いて配置されたアパーチャすなわち空気混合孔の円形列を通して入れられる。これらガスタービン燃焼器ライナは通常、非常に高温で作動し、冷却目的のための適当な圧縮機からの流入燃焼空気に大きく依存している。

燃焼器ライナの空気混合孔の周りでの割れ発生は、ガスタービン燃焼器ライナにおける一般的寿命限界損傷モードである。この点に関して、一部のガスタービンエンジンでは、一次燃料源として高反応性燃料を用いている。高反応性燃料は、火炎を前方にライナ内に引き寄せ、かつ混合孔列の前（上流）及び後（下流）の両方において火炎を固定保持（アンカリング）する傾向があり、これは一般的に、第１の混合孔列で（すなわち、燃料ノズルに最も近いライナの端部において）最も顕著である。加えて、低ＢＴＵ（熱量単位）燃料及びその結果としてのより大量の燃料流は、この火炎固定保持作用を増幅する。一方、その他の通常用いられる燃料は、混合孔の後すなわち下流に火炎を固定保持させる。それにもかかわらず、検査によると、空気混合孔の両側において非常に高温が確認された。

火炎が通常に固定保持される空気混合孔の下流の位置について割れ発生の問題は対処されてきたが、空気混合孔の上流縁部に沿った割れ発生の問題は、対処されてこなかった。

従って、現在の解決法は、空気混合孔の下流縁部に沿ってのみ冷却フィルム流を再構築することを含み、この流れは、空気混合孔を通る空気の半径方向流によって妨げられてきた。再フィルマ（ｒｅｆｉｌｍｅｒ）と呼ばれることがある空気混合孔挿入体は、例えば米国特許第４，６２２，８２１号に例示されているように、空気混合孔の下流の燃焼器ライナの内表面に沿って冷却流フィルムを再構築するために用いられてきた。米国特許第４，８７５，３３９号、同第４，６５３，２７９号及び同第４，７００，５４４号には、その他の再フィルマ装置が開示されている。
米国特許第４，６２２，８２１号明細書 米国特許第４，８７５，３３９号明細書 米国特許第４，６５３，２７９号明細書 米国特許第４，７００，５４４号明細書

本明細書に開示した本発明は、空気混合孔の上流及び下流縁部の両方を冷却する空気混合孔挿入体を提供する。従って、１つの態様では、本発明は、ガスタービン高温ガス通路構成要素に関し、本ガスタービン高温ガス通路構成要素は、半径方向に空気を供給する少なくとも１つの空気混合孔の円周方向列を有し、空気混合孔の１以上は、その中に固定されたシンブルを有し、シンブルは、中央開口部を形成したほぼ円形の本体と該構成要素内部で該シンブルの内側端部から少なくとも正反対の上流及び下流方向に延びるシールドとを有する。

別の態様では、本発明は、ガスタービン高温ガス通路構成要素に関し、本ガスタービン高温ガス通路構成要素は、燃焼器構成要素内部の燃焼室内に半径方向に空気を供給する少なくとも１つの空気孔の円周方向列を有し、孔の１以上は、その中に固定されたシンブルを有し、シンブルは、丸みのある外側入口端部を有するほぼ円筒形の本体と該シンブルの内側端部から正反対の上流及び下流方向に延びる１対のリップとを有し、各リップは、該構成要素の内表面から半径方向に間隔を置いて配置され、また本構成要素は、リップの各々の上方に位置した少なくとも１つの開口部を備える。

さらに別の態様では、本発明は、タービン燃焼器構成要素における複数の燃焼空気供給孔の上流及び下流縁部を冷却する方法に関し、本方法は、ａ）複数の燃焼空気供給孔の直径を拡大するステップと、ｂ）その各々が中央開口部を形成したほぼ円筒形の本体と構成要素内部でその内側端部から少なくとも正反対の上流及び下流方向に延びるシールドとを有するシンブルを、複数の燃焼供給孔内に挿入するステップとを含む。

次に図１を参照すると、従来型のタービン燃焼器ライナ１０が、前方端部１２及び後方端部１４を有するほぼ円筒形のセグメント化本体を含む。前方端部１２は一般的に、ライナキャップハードウェアによって閉鎖され、ライナキャップハードウェアはまた、ライナ内の燃焼室に燃料を供給するための１以上の燃料噴射ノズルを支持する。ライナの対向する端部は一般的に、タービンの第１段に高温燃焼ガスを供給する管状移行部品に固定される。しかしながら、本発明は、図１に示すようなライナに又は燃焼器ライナでの使用に限定されるものではない。以下で説明する本発明は、冷却空気を必要とするあらゆる高温ガス通路燃焼器構成要素に適用可能である。

複数の軸方向に間隔を置いて配置された空気希釈又は空気混合孔１６の円周方向列が、燃焼器ライナ内に該ライナの前方端部１２に向かってすなわち燃料ノズルにより近接して形成される。第１の空気希釈又は空気混合孔の列を参照符号１８に示しており、それらについては、本明細書で以下にさらに説明する。燃焼ガスの流れ（ライナ内側の）は、流れ矢印２０によって示す方向であり、燃焼／希釈空気は半径方向にライナ内に供給されることが理解される。

次に図２及び図３を参照すると、本発明の例示的であるが非限定的な実施形態によるシンブル２２を示しており、シンブル２２は、ライナの内部又は他の構成要素に空気を供給するための中央開口部を形成したほぼ円筒形の壁２４を含み、円筒形壁２４には、該円筒形壁の上流及び下流（ライナ内の流れに対して）縁部の周りでほぼ軸方向にかつ該円筒形壁に対して垂直に延びる前方及び後方リップ２６、２８の形態のシールドが設けられる。つまり、対向して延びるリップは、図２で最もよく分かるように、２つの正反対の位置で円筒形壁から離れるように延びるが、２つの他の正反対の配置では円筒形壁の直径を増大させない。上記の変形として、別々のリップ２６、２８の代わりに完全縁形のリムすなわちフランジを用いることができる。シンブルの中心に位置しかつ壁２４によって形成された孔３０は、該シンブルが挿入される孔１６の代わりにライナに空気を供給する。

図４及び図５は、単に実施例として、空気ミキサ又は空気希釈孔１６がその中に形成された燃焼器ライナの軸方向セグメント化部分３２、３４を示す。シンブル２２は、燃焼器ライナ内部から孔１６内に挿入され、かつリップ２６、２８が対向する上流及び下流方向に面するように配向される。シンブルは、例えばシンブルとの外部接合面において孔１６の周りで延びるフィレット溶接部３６ａと、内表面上の２つの側部位置におけるフィレット溶接部３６ｂとによって空気混合孔内部に固定される。２つのより小さい冷却孔３８、４０の群が、図４及び図５で最もよく分かるように、リップ２６、２８の上方に位置する関係で燃焼器ライナセグメント内に穿孔される。冷却孔３８、４０の群は、シンブル壁２４によって形成されたリップ２６、２８の湾曲に沿ってほぼ中心を持つように、同心直径中心線に沿って配置することができるが、配置の変形形態も考えられる。例えば、後方の冷却孔の群は、第１の半径に沿って位置させることができ、一方、前方の冷却孔の群は、第１の半径よりも大きい第２の半径に沿って位置さることができる（図４参照）。加えて、上流及び下流リップ上の冷却孔の数は、変化させることができる。例えば、各リップ上には４つ、６つ又は８つの孔を設けることができるが、一方のリップ上に他方よりも多くの孔を有することもまた可能である。例えば、上流すなわち前方リップが６つの等しい間隔を置いて配置した孔を有し、また下流すなわち後方リップが７つの等しい間隔を置いて配置した孔を有するようにすることができ、或いはその逆にすることができる。非限定的かつ例示的な実施形態では、それぞれのリップ２６、２８の上方に位置した状態でライナ壁内部に、６つの冷却孔３８及び６つの冷却孔４０が設けられる。しかしながら、孔３８及び／又は４０の１方又は両方は、正確なスロットで置き換えることができることが分かるであろう。ライナ又はその他の構成要素の円周方向周りでのシンブル自体の位置はまた、必要に応じて変化させることができる。

シンブル２２は、第１の空気混合孔１６の列１８の選択孔内に挿入される。この第１の例示的かつ非限定的な実施形態では、シンブル２２は、図１に示すようにそれぞれ９０度及び１５０度の円周方向位置における図１にＡ及びＢで符号付けした孔内に挿入される。シンブルを受けるように指定した孔の位置は、必要に応じて変化させることができる。最初に、例えばほぼ１．１５インチの通常直径から例えばほぼ１．２８インチのより大きな直径に、孔を拡大し、図５で最もよく分かるように、下流シンブルリップの後縁部とライナ内表面３９との間に例えば約０．０８インチの半径方向ギャップを形成するように、拡大ライナ孔内にシンブル２２を配置する。

次に図６〜図８に移ると、シンブル４２の第２の非限定的かつ例示的な実施形態を示している。シンブル４２には、ほぼ円筒形の壁４４が形成され、該ほぼ円筒形の壁４４には、該円筒形壁の上流及び下流縁部の周りで軸方向にかつ該円筒形壁４４に対して垂直に延びる正反対の前方及び後方リップ４６、４８が形成される。この実施形態では、壁４４によって形成された孔の希釈又は混合空気入口端部５０は、丸みがあって（例えば、０．０７０±０．０１０インチ）シンブル内への空気の円滑な流れを供給する。加えて、壁４４がリップ４６、４８に接合される該壁の周りには、フィレット５２、５４が延びる。フィレットは、例えば０．０４０±０．０１０インチの半径を有することができる。これらフィレットはまた、リップ４６、４８の上にかつ該リップに沿って冷却空気の流れを円滑にする。この実施例では、円筒形壁４４は、０．３１０インチの厚さを有し、従ってライナ孔の直径を１．４６インチから１．１５インチに減少させることに注目されたいが、ライナ孔直径の変化は、調整要件によって決定されることになることを理解されたい。

ライナ（又は、他の構成要素）及びシンブルにはまた、腐食及び／又侵食から該構成要素を保存しかつ保護するために断熱皮膜（ＴＢＣ）を設けるのが好ましい。

開示した設計の場合には、空気希釈又は空気混合孔１６の下流縁部におけるライナ壁のあらゆる下流加熱は、第’８２１号特許に例示された従来技術の設計での経験に基づいて、リップによる孔の下流の流れの再フィルム化によって改善されることになると予測された。つまり、下流リップは、混合孔の直ぐ下流のライナ壁表面（図５における参照符号３９及び図８における参照符号５６）に沿って冷却空気の流れを付加し、此までは冷却空気の正常流が混合孔を通る空気の半径方向流によって乱されていたことを理解されたい。しかしながら、空気混合孔の上流縁部に関しては、フィルム流が、全体流の方向すなわち燃焼室内での高温燃焼ガス流の方向に抗するので、対向する方向に延びる同様のリップ又は表面を形成することが有効なものとなることは、即座には明らかでなかった。しかしながら、冷却孔３８を通りリップ２６上に衝突する冷却空気は、実際には混合孔の上流のライナ壁温度を冷却するのに十分であると判定された。

シンブルの正確な位置、寸法、形状及び間隙は、本発明の技術的範囲内で変化させることができること、またライナへのシンブルの取付け方法もまた、変化させることができることが分かるであろう。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、提出した特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

従来型のガスタービン燃焼器ライナの側面図。 例示的だが非限定的な実施形態によるシンブル挿入体の平面図。 図２の線３−３に沿って取った断面図。 燃焼器ライナの空気混合孔内部に設置した、図２の挿入体の部分平面図。 図４の線５−５に沿って取った断面図。 別の非限定的な実施形態によるシンブル挿入体の平面図。 図６に示すシンブルの正面図。 ライナ孔内に挿入された、図６及び図７に示すシンブルの部分断面図。

符号の説明

１０ 燃焼器ライナ
１２ 前方端部
１４ 後方端部
１６ 混合孔
１８ 第１の混合孔の列
２０ 流れ矢印
２２、４２ シンブル
２４、４４ 円筒形壁
２６、２８、４６、４８ 前向き及び後向きシールド（リップ）
３０ 孔
３２、３４ セグメント化部分
３６ａ、３６ｂ フィレット溶接部
３９ ライナ内表面
３８、４０ 冷却孔
５０ 混合空気入口端部
５２、５４ フィレット

Claims (7)

1. ガスタービン高温ガス通路構成要素（１０）であって、
   半径方向に空気を供給する少なくとも１つの空気混合孔（１６）の円周方向列を有し、
   前記空気混合孔の１以上が、その中に固定されたシンブル（２２）を有し、
   前記シンブルが、中央開口部を形成したほぼ円形の本体と、該構成要素内部で該シンブルの内側端部から少なくとも正反対の上流及び下流方向に延びるシールド（２６、２８）とを有し、
   前記シールド（２６、２８）が、前記構成要素（１０）の内表面から半径方向に間隔を置いて配置される
   ことを特徴とする、ガスタービン高温ガス通路構成要素。
2. 該構成要素が、前記シールドの上流及び下流部分の半径方向外方に位置した複数の冷却孔（３８、４０）を備える、請求項１記載のガスタービン高温ガス通路構成要素。
3. 前記シールドが、正反対にかつ軸方向に延びるリップ（２６、２８）を含む、請求項２記載のガスタービン高温ガス通路構成要素。
4. 前記空気混合孔（１６）の各々が、前記シンブルを受入れることができるようにその直径が増大している、請求項１記載のガスタービン高温ガス通路構成要素。
5. 前記複数の冷却孔（３８、４０）が、各リップの半径方向外方に位置した４以上の孔を含む、請求項３記載のガスタービン高温ガス通路構成要素。
6. 前記少なくとも１つの空気混合孔（１６）の円周方向列が、第１の列（１８）を含む複数の列を含み、
   前記シンブル（２２）の１つが、前記第１の列の空気孔の各々内に設置される、
   請求項１記載のガスタービン高温ガス通路構成要素。
7. 前記リップ（２６、２８）の半径方向外方に位置した前記冷却孔（３８、４０）が、それぞれ前記中央開口部から測定して異なる半径に沿って位置する、請求項３記載のガスタービン高温ガス通路構成要素。
   

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